DE102019114191A1 - Laser processing device and method for the simultaneous and selective processing of a plurality of processing points on a workpiece - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Laserbearbeitungsvorrichtung sowie ein Verfahren zur Bearbeitung von Bearbeitungsstellen eines Werkstücks. Dabei umfasst die Laserbearbeitungsvorrichtunga. eine Laserstrahlungsquelle (3), die dazu eingerichtet ist, einen Laserstrahl (10) zu erzeugen und entlang eines optischen Pfades (4) in Richtung des Werkstücks (2) auszusenden;b. eine der Laserstrahlungsquelle (3) in Strahlrichtung nachgeordnete Strahlteilungseinheit (5), die dazu eingerichtet ist, den Laserstrahl (10) in eine Vielzahl von Teilstrahlen (T) aufzuteilen, die in einem vorgegebenen räumlichen Pattern verteilt sind;c. eine der Strahlteilungseinheit (5) in Strahlrichtung nachgeordnete Strahlselektionseinheit (6), die dazu eingerichtet ist,• eine erste Anzahl (A1) der Teilstrahlen (T) entlang des optischen Pfades (4) in Richtung des Werkstücks (2) weiterzuleiten,• eine zweite Anzahl (A2) der Teilstrahlen (T) aus dem optischen Pfad (4) abzulenken, wobei die Strahlselektionseinheit (6) ferner dazu eingerichtet ist, aus dem räumlichen Pattern der Teilstrahlen (T) in beliebiger räumlicher Kombination Teilstrahlen (T) zu selektieren und der ersten Anzahl (A1) und der zweiten Anzahl (A2) zuzuordnen;d. eine der Strahlselektionseinheit (6) in Strahlrichtung nachgeordnete Strahlpositionierungseinheit (9), die dazu eingerichtet ist, zu der ersten Anzahl (A1) der Teilstrahlen (T) korrespondierende Laserspots (18) auf dem Werkstück (2) abzubilden, und ferner dazu eingerichtet ist, die Laserspots (18) gegebenenfalls zur Positionierung und/oder zur Bearbeitung simultan und synchron über das Werkstück (2) zu bewegen.Die genannte Laserbearbeitungsvorrichtung bzw. das ebenfalls mit der Erfindung beschriebene Verfahren zur Bearbeitung eines Werkstücks ermöglichen eine schnelle und parallele Bearbeitung mehrerer Bearbeitungsstellen.The present invention relates to a laser processing device and a method for processing processing points on a workpiece. The laser processing device comprises a. a laser radiation source (3) which is set up to generate a laser beam (10) and to emit it along an optical path (4) in the direction of the workpiece (2); b. a beam splitting unit (5) arranged downstream of the laser radiation source (3) in the beam direction, which is set up to split the laser beam (10) into a plurality of partial beams (T) which are distributed in a predetermined spatial pattern; c. a beam selection unit (6) which is arranged downstream of the beam splitting unit (5) and is set up to • forward a first number (A1) of the partial beams (T) along the optical path (4) in the direction of the workpiece (2), • a second Number (A2) of the partial beams (T) to deflect from the optical path (4), wherein the beam selection unit (6) is also set up to select partial beams (T) from the spatial pattern of the partial beams (T) in any spatial combination and the assign the first number (A1) and the second number (A2); d. a beam positioning unit (9) arranged downstream of the beam selection unit (6) in the beam direction, which is set up to image laser spots (18) corresponding to the first number (A1) of partial beams (T) on the workpiece (2), and is also set up to: to move the laser spots (18) over the workpiece (2) simultaneously and synchronously for positioning and / or processing.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Laserbearbeitungsvorrichtung sowie ein Verfahren zur Bearbeitung von Bearbeitungsstellen eines Werkstücks. Bei den Bearbeitungsstellen kann es sich beispielsweise um Fehlstellen eines Werkstücks handeln, die einer im Wege einer Laserbearbeitung ausgeführten Reparatur oder Korrektur unterzogen werden. In diesem Zusammenhang kann es sich bei den genannten Werkstücken beispielsweise um Displays bzw. Displayoberflächen handein. Ferner kann die mit der Erfindung vorgeschlagene Laserbearbeitungsvorrichtung bzw. das mit der Erfindung vorgeschlagene Verfahren zur Bearbeitung eines Werkstücks im Wege eines „Laser Induced Forward Transfer“ (kurz: LIFT) Prozesses eingesetzt werden, also zur Bearbeitung vorgegebener Bearbeitungsstellen eines Werkstücks.The present invention relates to a laser processing device and a method for processing processing points on a workpiece. The processing points can be, for example, defects in a workpiece that are subjected to a repair or correction carried out by means of laser processing. In this context, the workpieces mentioned can be displays or display surfaces, for example. Furthermore, the laser processing device proposed by the invention or the method proposed by the invention for processing a workpiece by way of a “Laser Induced Forward Transfer” (LIFT for short) process can be used, that is to say for processing predetermined processing points on a workpiece.
Bei der Fertigung von graphischen Anzeigen wie Displays, beispielhaft seien an dieser Stelle OLED (organic light emitting diode) Displays oder mini LED Displays genannt, kann es zur fertigungsbedingten Ausbildung von Fehlstellen kommen. Derartige Fehlstellen sind im Rahmen der vorliegend verwendeten Terminologie als „Bearbeitungsstellen“ zu verstehen. Diese Fehlstellen können an bestimmten Pixeln des Displays, zum Beispiel in der elektrischen Kontaktierung, auftreten. In jenen Fehlstellenbereichen können ungewünschte Abweichungen hinsichtlich der Oberflächenstruktur (beispielsweise Homogenität, Schichtdicke, Planarität etc.) vorliegen. Eine organische Leuchtdiode (OLED) ist ein leuchtendes Dünnschichtbauelement aus organischen halbleitenden Materialien, welches sich von den sogenannten anorganischen Leuchtdioden (LED) insbesondere dadurch unterscheidet, dass die elektrische Strom- und Leuchtdichte geringer ist und keine einkristallinen Materialien erforderlich sind. Auf OLEDs basierende Displays werden unter anderem in Smartphones, Tablet-Computern, Fernsehern oder Computer Monitoren verbaut. Die vorliegende Erfindung kann sowohl zur Bearbeitung von OLED Displays, als auch zur Bearbeitung von LED Displays (z.B. mini LED Displays) eingesetzt werden.During the production of graphic displays such as displays, OLED (organic light emitting diode) displays or mini LED displays, for example, production-related defects can occur. Such defects are to be understood as “processing points” in the context of the terminology used here. These flaws can occur on certain pixels of the display, for example in the electrical contact. Undesired deviations with regard to the surface structure (for example homogeneity, layer thickness, planarity, etc.) can be present in those defect areas. An organic light-emitting diode (OLED) is a luminous thin-film component made of organic semiconducting materials, which differs from the so-called inorganic light-emitting diodes (LED) in particular in that the electrical current and luminance is lower and no single-crystal materials are required. Displays based on OLEDs are installed in smartphones, tablet computers, televisions or computer monitors, among other things. The present invention can be used both for processing OLED displays and for processing LED displays (e.g. mini LED displays).
Da solche Fehlstellen in der Regel nicht homogen auf der Displayoberfläche verteilt sind und häufig an einer Vielzahl von Display-Pixeln auftreten, ist es wünschenswert, die Fehlstellen einem Reparatur- oder Korrekturprozess zu unterziehen, der einerseits eine gleichzeitige Bearbeitung mehrerer Fehlstellen ermöglicht, und andererseits flexibel auf eine auf einem bestimmten Display vorliegende Fehlstellenverteilung anpassbar ist. Für eine solche Fehlstellenkorrektur eignen sich insbesondere Laserbearbeitungstechniken, denn mit ebensolchen ist eine pixelweise, hochauflösende und gleichsam schnelle (abtragende) Bearbeitung gewährleistet. Derartige Fehlstellen mit einzelnen Laserstrahlen zu bearbeiten ist aus dem Stand der Technik allgemein bekannt, jedoch mit Nachteilen bei der Verfahrensführung und Verfahrensdauer verbunden. Entsprechend sind Verfahren, die ein paralleles Bearbeiten gleich mehrerer Fehlstellen erlauben, von besonderem Interesse. Aus der
Ausdrücklich sei an dieser Stelle betont, dass sich die vorliegende Erfindung nicht nur zur Bearbeitung bzw. Reparatur von Fehlstellen eines Displays eignet, grundsätzlich können jegliche mit Fehlstellen behaftete Werkstücke bzw. Werkstoffe mit der erfindungsgemäßen Laserbearbeitungsvorrichtung bzw. mit dem zugehörigen Verfahren bearbeitet werden, die eine abtragende (ablatierende) Bearbeitung erlauben. Das bearbeitete Material muss also durch Laserstrahlung ablatierbar sein. Ferner eignet sich die vorliegende Erfindung zum Einsatz in dem bereits vorangehend erwähnten LIFT Verfahren. Dabei werden gepulste Laserstrahlen (z.B. im Point-and-Shoot Modus) auf ein beschichtetes Substrat gerichtet, um Material in Richtung der Laserstrahlung auf ein zweites Substrat zu übertragen. LIFT Verfahren können eingesetzt werden zur Herstellung von thermoelektrischen Transfermaterialien, Polymeren und zum Bedrucken von Substraten. Entsprechend können im Rahmen der Erfindung unter den „Bearbeitungsstellen“ auch solche Stellen eines ersten Substrats (eines Werkstück im Sinne der Erfindung) zu verstehen sein, an welchen eine Materialübertragung im Wege des LIFT Verfahrens auf ein zweites (beispielsweise co-planar zu dem ersten Substrat) angeordnetes Substrat erfolgen soll, insbesondere also um jene Stellen eines ersten Substrats (Werkstücks) die mit Laserstrahlen bestrahlt werden sollen. Je nach Anforderung an das zu bearbeitende Werkstück kann im Wege des LIFT Verfahrens an definierten Bearbeitungsstellen oder Pixeln eines Werkstücks ein vorgegebenes Bearbeitungsmuster (Übertragungsmuster) ausgebildet werden. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung können Teilstrahlen eines geteilten Laserstahls im Point-and-Shoot Modus auf vorgegebene Bearbeitungsstellen eines Werkstücks gerichtet werden.It should be expressly emphasized at this point that the present invention is not only suitable for processing or repairing defects in a display; in principle, any workpieces or materials afflicted with defects can be processed with the laser processing device according to the invention or with the associated method that has a Allow ablative processing. The processed material must therefore be ablatable by laser radiation. Furthermore, the present invention is suitable for use in the LIFT method already mentioned above. Pulsed laser beams (e.g. in point-and-shoot mode) are directed onto a coated substrate in order to transfer material in the direction of the laser radiation onto a second substrate. LIFT processes can be used for the production of thermoelectric transfer materials, polymers and for printing on substrates. Correspondingly, within the scope of the invention, the “processing points” can also be understood as those points on a first substrate (a workpiece in the sense of the invention) at which a material transfer by way of the LIFT method to a second (for example co-planar to the first substrate ) arranged substrate is to take place, in particular around those points of a first substrate (workpiece) which are to be irradiated with laser beams. Depending on the requirements placed on the workpiece to be processed, the LIFT method can be used to create a specified processing pattern (transfer pattern) at defined processing points or pixels on a workpiece. In the context of the present invention, partial beams of a split laser beam can be directed in the point-and-shoot mode onto predetermined processing points on a workpiece.
Im Wege der kontinuierlich fortschreitenden Entwicklung der Lasertechnologie ist es seit vielen Jahren bekannt, Laser zur Bearbeitung verschiedenster Materialien einzusetzen, beispielsweise im Bereich der Fertigung elektronischer Bauelemente oder von Displayelementen.Due to the continuously advancing development of laser technology, it has been known for many years to use lasers for processing a wide variety of materials, for example in the field of manufacturing electronic components or display elements.
Bei der Materialbearbeitung mit Laserstrahlung (beispielsweise der Laser-Ablation, dem Laser-Schweißen, dem Laser-Löten, Laser-Reinigen, Laser-Bohren, Laser-Sintern oder dem Laser-Schmelzen) wird aktuell meist Laserstrahlung mit einer gaußförmigen Intensitätsverteilung eingesetzt. Für viele dieser Prozesse ist es aber von Vorteil, die Intensitätsverteilung im Bearbeitungsbereich des Werkstücks an den konkret vorliegenden Bearbeitungsprozess bzw. das zu bearbeitende Material anzupassen. Daher werden zunehmend Optimierungen der Laserverfahren durch Änderung der Intensitätsverteilung in der Bearbeitungsebene untersucht. Zur Anpassung der Intensitätsverteilung ist es dabei bekannt, die von einer Laserstrahlungsquelle erzeugte Laserstrahlung einer Strahlformung zu unterziehen, was ein erhebliches Optimierungspotenzial für die Laserprozessentwicklung bietet. Die sich daraus ergebenden Vorteile einer Strahlformung liegen beispielsweise in höheren Prozessgeschwindigkeiten oder in besseren Bearbeitungsergebnissen.When processing materials with laser radiation (for example laser ablation, laser welding, laser soldering, laser cleaning, laser drilling, laser sintering or laser melting), laser radiation is currently mostly used with a Gaussian intensity distribution used. For many of these processes, however, it is advantageous to adapt the intensity distribution in the machining area of the workpiece to the specific machining process or the material to be machined. Therefore, optimizations of the laser process by changing the intensity distribution in the processing plane are increasingly being investigated. To adapt the intensity distribution, it is known to subject the laser radiation generated by a laser radiation source to beam shaping, which offers considerable optimization potential for the development of the laser process. The resulting advantages of beam shaping are, for example, higher process speeds or better processing results.
Wie bereits erwähnt, weist die von einer Laserstrahlungsquelle erzeugte Laserstrahlung in Bezug auf ihren Strahlenquerschnitt typischerweise eine gaußförmige Intensitätsverteilung bzw. ein gaußförmiges Strahlprofil auf. Über geeignete Strahlformungstechniken können Laserstrahlen jedoch unter Abänderung der Intensitätsverteilung geformt werden. Zur Formung einer Intensitätsverteilung eines Laserstrahls können entweder seine Phase, seine Amplitude oder beide Größen zusammen moduliert werden. Entsprechend kommen Phasenmodulatoren, Amplitudenmodulatoren oder Phasen- und Amplitudenmodulatoren zum Einsatz, beispielsweise in Form von diffraktiven Strahlformern. Diffraktive Strahlformer (Diffractive Optical Elements, kurz DOE) zur Einstellung von Fernfeldintensitäten können als Phasenelemente in Glas oder anderen transparenten Materialien hergestellt werden.As already mentioned, the laser radiation generated by a laser radiation source typically has a Gaussian intensity distribution or a Gaussian beam profile in relation to its beam cross section. Using suitable beam shaping techniques, however, laser beams can be shaped while changing the intensity distribution. Either its phase, its amplitude or both quantities can be modulated together to form an intensity distribution of a laser beam. Phase modulators, amplitude modulators or phase and amplitude modulators are used accordingly, for example in the form of diffractive beam shapers. Diffractive beam formers (Diffractive Optical Elements, DOE for short) for setting far-field intensities can be produced as phase elements in glass or other transparent materials.
Weiterhin kann die Form einer Intensitätsverteilung durch Brechung und Reflektion an optischen Elementen erfolgen. Entsprechend kommen geformte refraktive oder reflektive Elemente wie beispielsweise deformierte oder deformierbare Spiegel oder transmissive Elemente mit einer geometrischen Verformung der Oberfläche oder Form zum Einsatz. Die einzelnen Teilstrahlen eines auf das refraktive oder reflektive optische Element einfallenden Laserstrahls, fallen dabei auf jeweils unterschiedlich gewölbte Oberflächen und werden an diesen reflektiert oder gebrochen. Die Gesamtheit der Teilstrahlen bildet nach der Formung durch das Element eine neue Intensitätsverteilung. Ein Beispiel für ein solche Strahlformung ist die Umformung eines gaußförmigen Laserstrahls in einen Top-Hat förmigen Laserstrahl, auch Gauß-zu-Top-Hat Strahlformer genannt. Ein solcher Strahlformer kann auch bei der erfindungsgemäßen Laserbearbeitungsvorrichtung zum Einsatz kommen. Die für die Strahlformung notwendige geometrische Verformung der Oberfläche kann mit analytischen, numerischen oder iterativen Verfahren (z.B. Überlagerung von Zernikepolynomen) berechnet werden.Furthermore, the form of an intensity distribution can take place by refraction and reflection on optical elements. Correspondingly shaped refractive or reflective elements such as deformed or deformable mirrors or transmissive elements with a geometric deformation of the surface or shape are used. The individual partial beams of a laser beam incident on the refractive or reflective optical element fall on differently curved surfaces and are reflected or refracted on them. The totality of the partial beams forms a new intensity distribution after being formed by the element. An example of such a beam shaping is the shaping of a Gaussian-shaped laser beam into a top-hat shaped laser beam, also called a Gauss-to-top-hat beam shaper. Such a beam shaper can also be used in the laser processing device according to the invention. The geometrical deformation of the surface necessary for beam shaping can be calculated using analytical, numerical or iterative methods (e.g. superposition of Zernike polynomials).
Diffraktive strahlformende Elemente können jedoch auch als Strahlteiler ausgebildet sein (im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist die Funktion der DOE als Strahlteiler maßgebend). Beispielhaft seien in diesem Zusammenhang binäre Gitter oder Blazed Gratings genannt. Aufgrund der Geometrie der diffraktiven Struktur kommt es auf einem rechteckigen Gitter im Ortsfrequenzraum (k-Raum) zu konstruktiver Interferenz. Durch numerische Algorithmen können unterschiedlichste Anordnungen von aktiven Beugungsordnungen (konstruktive Interferenz) verwirklicht werden. Hierbei muss die Winkeltrennung der Beugungsordnungen groß genug gegenüber der Fernfelddivergenz der einfallenden Laserstrahlung sein, da andernfalls Interferenz die Anordnung der aktiven Beugungsordnungen stört.Diffractive beam-shaping elements can, however, also be designed as beam splitters (within the scope of the present invention, the function of the DOE as a beam splitter is decisive). Binary grids or blazed gratings may be mentioned as examples in this context. Due to the geometry of the diffractive structure, constructive interference occurs on a rectangular grid in the spatial frequency space (k-space). A wide variety of arrangements of active diffraction orders (constructive interference) can be implemented using numerical algorithms. The angular separation of the diffraction orders must be large enough in relation to the far field divergence of the incident laser radiation, since otherwise interference disturbs the arrangement of the active diffraction orders.
Solche unveränderbaren DOEs werden jedoch zunehmend durch programmierbare Modulationseinheiten zur dynamischen Formung der Laserstrahlung ersetzt. Mit programmierbaren Modulationseinheiten kann die örtliche und zeitliche Intensitätsverteilung von seitens einer Laserstrahlungsquelle ausgesendeten Laserstrahlung eingestellt werden. Derart programmierbare Modulationseinheiten werden auch als „Spatial Light Modulator (SLM)“ bezeichnet. Auch Spatial Light Modulatoren können grundsätzlich zur Strahlteilung eingesetzt werden.Such unchangeable DOEs are increasingly being replaced by programmable modulation units for dynamic shaping of the laser radiation. With programmable modulation units, the spatial and temporal intensity distribution of the laser radiation emitted by a laser radiation source can be adjusted. Such programmable modulation units are also referred to as “spatial light modulators (SLM)”. Spatial light modulators can also be used for beam splitting.
Beim der Laserbearbeitung können verschiedenste Laserstrahlungsquellen zum Einsatz kommen. Für einen präzisen Materialabtrag sollte eine möglichst kleine Fokussierung mit einem möglichst kurzwelligen Laser angestrebt werden. Im Zuge der Entwicklung leistungsfähigerer und langlebiger Laserstrahlungsquellen für den UV-Bereich, werden CO2-Laser nur noch relativ selten eingesetzt. Auch Excimer-Laser kommen heutzutage nur noch selten zum Einsatz. Standardmäßig werden jedoch UV-Nanosekundenlaser eingesetzt. Für eine effiziente Materialbearbeitung muss Laserstrahlung mit einer Wellenlänge verwendet werden, die von dem abzutragenden Material des zu bearbeitenden Werkstücks absorbiert wird. Laserstrahlung mit Wellenlängen im Nahinfrarot und VIS Bereich sind dazu weniger geeignet, es sei denn man verwendet kurze Pulsdauern im piko- und femtosekunden-Bereich.A wide variety of laser radiation sources can be used in laser processing. For precise material removal, the aim should be as small a focus as possible with a laser with as short a wave as possible. In the course of the development of more powerful and long-lasting laser radiation sources for the UV range, CO 2 lasers are only used relatively rarely. Excimer lasers are also rarely used these days. However, UV nanosecond lasers are used as standard. For efficient material processing, laser radiation must be used with a wavelength that is absorbed by the material to be removed from the workpiece to be processed. Laser radiation with wavelengths in the near-infrared and VIS range are less suitable for this unless short pulse durations in the picosecond and femtosecond range are used.
Häufig werden beispielsweise zur Laserbearbeitung die sogenannten Festkörperlaser eingesetzt, insbesondere Nd:YAG-Laser. Diese Laser können in Bezug auf die erzielbare Pulsdauer, Pulsenergie und Wellenlänge passgenau auf die jeweilige Anwendung zugeschnitten sein.So-called solid-state lasers, in particular Nd: YAG lasers, are often used for laser processing, for example. These lasers can be tailored precisely to the respective application in terms of the achievable pulse duration, pulse energy and wavelength.
Um die Bearbeitungsgeschwindigkeit bei der Laserbearbeitung zu erhöhen, ist es bekannt, Laserstrahlung an Spiegeln zu reflektieren und auf bestimmte Stellen einer zu bearbeitenden Werkstückoberfläche auszulenken. Eine Anordnung mehrerer derartiger Spiegel können in einer Baueinheit zusammengefasst sein und einen Spiegelscanner ausbilden. Bekannt sind beispielsweise galvanometrisch angetriebene Spiegelscanner (Galvanometerscanner), deren zugehörige Spiegel über einen Drehantrieb um einen definierten Winkel verdreht werden können. Auf diese Weise kann ein auf einen solchen Spiegel einfallender Laserstrahl auf unterschiedliche Stellen des Werkstücks gerichtet werden.In order to increase the processing speed during laser processing, it is known to reflect laser radiation on mirrors and to deflect it onto certain points on a workpiece surface to be processed. An arrangement Several such mirrors can be combined in one structural unit and form a mirror scanner. For example, galvanometrically driven mirror scanners are known, the associated mirrors of which can be rotated by a defined angle by means of a rotary drive. In this way, a laser beam incident on such a mirror can be directed onto different locations on the workpiece.
Basierend auf den vorangehenden Ausführungen ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Laserbearbeitungsvorrichtung und ein Verfahren zur Bearbeitung eines Werkstücks (z.B. im LIFT Verfahren) bzw. zur Korrektur von Fehlstellen eines Werkstücks bereitzustellen, womit eine schnelle und parallele Bearbeitung mehrerer Bearbeitungsstellen des Werkstücks ermöglicht ist.Based on the foregoing, the object of the present invention is to provide a laser processing device and a method for processing a workpiece (e.g. using the LIFT method) or for correcting imperfections in a workpiece, which enables multiple processing points of the workpiece to be processed quickly and in parallel .
Gelöst wird die genannte Aufgabe mit einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und einem Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 30.The stated object is achieved with a device with the features of
Die der Erfindung zugrunde liegende Vorrichtung ist zur Bearbeitung vorgegebener Bearbeitungsstellen eines Werkstücks vorgesehen. Die Vorrichtung umfasst
- a. eine Laserstrahlungsquelle, die dazu eingerichtet ist, einen Laserstrahl zu erzeugen und entlang eines optischen Pfades in Richtung des Werkstücks auszusenden;
- b. eine der Laserstrahlungsquelle in Strahlrichtung nachgeordnete Strahlteilungseinheit, die dazu eingerichtet ist, den Laserstrahl in eine Vielzahl von Teilstrahlen aufzuteilen, die in einem vorgegebenen räumlichen Pattern verteilt sind;
- c. eine der Strahlteilungseinheit in Strahlrichtung nachgeordnete Strahlselektionseinheit, die dazu eingerichtet ist,
- • eine erste Anzahl der Teilstrahlen entlang des optischen Pfades in Richtung des Werkstücks weiterzuleiten,
- • eine zweite Anzahl der Teilstrahlen aus dem optischen Pfad abzulenken,
- d. eine der Strahlselektionseinheit in Strahlrichtung nachgeordnete Strahlpositionierungseinheit, die dazu eingerichtet ist, zu der ersten Anzahl der Teilstrahlen korrespondierende Laserspots auf dem Werkstück abzubilden, und ferner dazu eingerichtet ist, die Laserspots gegebenenfalls zur Positionierung und/oder zur Bearbeitung simultan und synchron über das Werkstück zu bewegen.
- a. a laser radiation source which is configured to generate a laser beam and to emit it along an optical path in the direction of the workpiece;
- b. a beam splitting unit which is arranged downstream of the laser radiation source in the beam direction and which is set up to split the laser beam into a plurality of partial beams which are distributed in a predetermined spatial pattern;
- c. a beam selection unit arranged downstream of the beam splitting unit in the beam direction, which is set up to
- • forward a first number of partial beams along the optical path in the direction of the workpiece,
- • divert a second number of partial beams from the optical path,
- d. a beam positioning unit downstream of the beam selection unit in the beam direction, which is set up to image laser spots corresponding to the first number of partial beams on the workpiece, and is also set up to move the laser spots simultaneously and synchronously over the workpiece for positioning and / or processing, if necessary .
Wie in dem Merkmal d. zum Ausdruck kommend, kann zwar vorgesehen sein, die Laserspots zur Positionierung und zur Bearbeitung simultan und synchron über das Werkstück zu bewegen. Jedoch ist die Laserbearbeitungsvorrichtung ohne Weiteres auch zur parallelen Point-and-Shoot Bearbeitung mehrerer Bearbeitungsstellen einsetzbar. Eine Positionierungs- oder Bearbeitungsbewegung der Laserspots auf dem Werkstück ist also nicht zwingend erforderlich, auch eine einmalige Ausrichtung kann (je nach Bearbeitungsaufgabe) ausreichen.As in feature d. Coming to the expression, it can be provided to move the laser spots for positioning and for processing simultaneously and synchronously over the workpiece. However, the laser processing device can also easily be used for parallel point-and-shoot processing of several processing points. A positioning or processing movement of the laser spots on the workpiece is therefore not absolutely necessary; a one-time alignment can also be sufficient (depending on the processing task).
Mit der erfindungsgemäßen Laserbearbeitungsvorrichtung können Werkstücke mit einem definierten bzw. vorgegebenen Muster von Fehlstellen oder von zu bearbeitenden Stellen (z.B. im LIFT Verfahren) bearbeitet werden. Entsprechend sei nachfolgend allgemein von „Bearbeitungsstellen“ die Rede, wobei mit „Bearbeitungsstellen“ sowohl Fehlstellen als auch anderweitige Bearbeitungsstellen (z.B. der im LIFT Verfahren zu bearbeitenden Stellen) gemeint sein können. In beiden Fällen kann das zu bearbeitende Werkstück bezogen auf die Werkstückoberfläche periodisch aufgebaut sein, d.h. die Oberfläche ist bezogen auf eine zweidimensionale Aufsicht aus flächenartig verteilten Pixeln aufgebaut. Die Vielzahl der von der Strahlteilungseinheit der Laserbearbeitungsvorrichtung bereitgestellten Teilstrahlen stellen zunächst ebenfalls eine periodische Anordnung von Teilstrahlen bereit. Erst mit der Strahlselektionseinheit können verschiedenste Teilstrahlen aus dem optischen Pfad abgelenkt werden, sodass beliebige Kombinationen und Muster von Teilstrahlen entlang des optischen Pfades in Richtung des Werkstücks weitergeleitet werden. Im Gegensatz zu dem eingangs beschriebenen Stand der Technik können mit der vorliegenden Erfindung nicht nur einzelne Reihen oder Spalten eines Arrays der Teilstrahlen zur Projektion auf das Werkstück ausgewählt werden, sondern geometrisch beliebige Kombinationen. Eine Festlegung auf ein bestimmtes räumliches Pattern oder eine Anzahl der Teilstrahlen ist nicht notwendig, vielmehr können über die Strahlselektionseinheit beliebige der periodischen Anordnung der Teilstrahlen (bereitgestellt über die Strahlteilungseinheit) zugehörigen Teilstrahlen selektiert und in Richtung des Werkstücks weitergeleitet werden.With the laser processing device according to the invention, workpieces with a defined or predetermined pattern of imperfections or of points to be processed (e.g. in the LIFT process) can be processed. Accordingly, the general term “processing points” is used below, whereby “processing points” can mean both missing points and other processing points (e.g. the points to be processed in the LIFT procedure). In both cases, the workpiece to be machined can be built up periodically in relation to the workpiece surface, i.e. the surface is made up of pixels distributed in a two-dimensional manner in relation to a two-dimensional plan view. The large number of partial beams provided by the beam splitting unit of the laser machining device initially also provide a periodic arrangement of partial beams. Only with the beam selection unit can the most varied of partial beams be deflected from the optical path, so that any combinations and patterns of partial beams can be passed along the optical path in the direction of the workpiece. In contrast to the prior art described at the beginning, with the present invention not only individual rows or columns of an array of the partial beams can be selected for projection onto the workpiece, but also any geometrical combination. It is not necessary to specify a specific spatial pattern or a number of partial beams; rather, any partial beams belonging to the periodic arrangement of the partial beams (provided via the beam splitting unit) can be selected via the beam selection unit and passed on in the direction of the workpiece.
Je nach Größe des zu bearbeitenden Bereichs kann eine einmalige Positionierung des Werkstücks relativ zu der Laserbearbeitungsvorrichtung ausreichen, beispielsweise in jenem Fall, bei dem der die Bearbeitungsstellen umfassende Bereich kleiner als das mit der Laserbearbeitungsvorrichtung zugängliche Scanfeld ist, also jener Bereich, den die Laserspots über eine Positionierung mittels der Strahlpositionierungseinheit erreichen können (ohne Relativverschiebung zwischen Werkstück und Laserbearbeitungsvorrichtung). Ist der zu bearbeitende Bereich des Werkstücks hingegen größer als das Scanfeld, so ist erforderlich, einen auf eine Relativverschiebung zwischen Werkstück und Laserbearbeitungsvorrichtung bezogenen Bearbeitungsweg bzw. Verschiebeweg zu berechnen. Der Verschiebeweg kann eine Mehrzahl verschiedener Bearbeitungspositionen (also Relativpositionen zwischen Werkstück und Laserbearbeitungsvorrichtung) beinhalten. Die erforderliche Anzahl von Bearbeitungspositionen entspricht der Anzahl der benötigten Bearbeitungsschritte. Nach dem Positionieren des Werkstücks relativ zur Laserbearbeitungsvorrichtung (gemäß einer der Bearbeitungspositionen) wird die Anzahl und räumliche Lage der auf das Werkstück abgebildeten Laserspots bzw. Teilstrahlen anhand der Anzahl und Anordnung (also dem Muster) der in diesem Bearbeitungsbereich vorliegenden Fehlstellen ermittelt. Die dementsprechend auf das Werkstück gerichteten Teilstrahlen können nach einer ersten Positionierung einer Anpassung der den Teilstrahlen zugrunde liegenden Periode (damit ist der Abstand der Teilstrahlen zueinander gemeint) exakt auf die Periode der Pixel des Werkstücks (damit ist der Abstand der Pixel zueinander gemeint) unterzogen werden. Dabei kann der Abstand der Teilstrahlen zueinander auf ein Vielfaches der Pixelperiode eingestellt werden, z.B. auf ein Zehnfaches der Periode der Pixel. Genauere Spezifikationen zur Zoom-Einheit seien an späterer Stelle noch genauer erläutert. Danach kann eine über die Strahlpositionierungseinheit ausgeführte Positionierungsbewegung zunächst eine weitere Positionierung der Teilstrahlen bzw. Laserspots auf dem Werkstück erfolgen. Im Anschluss kann eine Bearbeitungsbewegung der Laserspots auf dem Werkstück erfolgen. Die über die Strahlpositionierungseinheit ausgeführte Positionierungsbewegung und Bearbeitungsbewegung erfolgt für sämtliche Spots simultan und synchron. Insbesondere können also jene Fehlstellen mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung bearbeitet werden, die eine ähnlichen oder gleichen Fehler bzw. Materialdeformation aufweisen. Mit der Bearbeitungsbewegung ist es möglich auch über Pixelgrenzen hinweg einzelne Abschnitte des Werkstücks zu bearbeiten.Depending on the size of the area to be processed, a single positioning of the workpiece relative to the laser processing device may be sufficient, for example in the case in which the area comprising the processing points is smaller than the scan field accessible with the laser processing device, i.e. the area that the Laser spots can be achieved by positioning by means of the beam positioning unit (without relative displacement between the workpiece and the laser processing device). If, on the other hand, the area of the workpiece to be processed is larger than the scan field, it is necessary to calculate a processing path or displacement path related to a relative displacement between the workpiece and the laser processing device. The displacement path can contain a plurality of different machining positions (that is to say relative positions between the workpiece and the laser machining device). The number of processing positions required corresponds to the number of processing steps required. After the workpiece has been positioned relative to the laser processing device (according to one of the processing positions), the number and spatial position of the laser spots or partial beams imaged on the workpiece are determined based on the number and arrangement (i.e. the pattern) of the defects in this processing area. After a first positioning, the partial beams directed onto the workpiece can be adapted to the period on which the partial beams are based (this means the distance between the partial beams) exactly to the period of the pixels of the workpiece (this means the distance between the pixels) . The distance between the partial beams can be set to a multiple of the pixel period, for example to ten times the period of the pixels. More precise specifications for the zoom unit will be explained in more detail later. Thereafter, a positioning movement carried out via the beam positioning unit can initially result in a further positioning of the partial beams or laser spots on the workpiece. The laser spots can then be processed on the workpiece. The positioning movement and processing movement carried out via the beam positioning unit takes place simultaneously and synchronously for all spots. In particular, those defects can be processed with the device according to the invention which have a similar or identical defect or material deformation. With the machining movement, it is possible to machine individual sections of the workpiece across pixel boundaries.
Auf Basis eines Input-Datensatzes, der die auf dem Werkstück vorliegenden oder vorgegebenen Bearbeitungsstellen bzw. deren räumliche Verteilung wiedergibt, kann der notwendige Bearbeitungsweg, die Anzahl der Bearbeitungsschritte, sowie die zu den einzelnen Bearbeitungsschritten zur Bearbeitung der dort vorliegenden Bearbeitungsstellen benötigte Anzahl und Position von auf dem Werkstück abgebildeten Laserspots bzw. Teilstrahlen ermittelt werden. Die vorgenannte Ermittlung kann beispielsweise unter der Prämisse einer möglichst schnellen oder effizienten Verfahrensführung bzw. Bearbeitung erfolgen.On the basis of an input data record that reproduces the processing points present or specified on the workpiece or their spatial distribution, the necessary processing path, the number of processing steps, as well as the number and position required for the individual processing steps for processing the processing points present there can be determined from Laser spots or partial beams imaged on the workpiece can be determined. The aforementioned determination can take place, for example, under the premise of the fastest or most efficient possible process management or processing.
Wie schon eingangs erwähnt, ist die Erfindung nicht nur auf die Laserbearbeitungsvorrichtung gerichtet, sondern auch auf ein Verfahren zur Bearbeitung vorgegebener Bearbeitungsstellen eines Werkstücks, jedoch unter Einsatz der erfindungsgemäßen Laserbearbeitungsvorrichtung.As already mentioned at the beginning, the invention is not only directed to the laser processing device, but also to a method for processing predetermined processing points of a workpiece, but using the laser processing device according to the invention.
In einem ersten Verfahrensschritt a. wird - wie erwähnt - auf Basis eines Input-Datensatzes bezüglich der auf dem Werkstück vorliegenden Bearbeitungsstellen bzw. deren räumlicher Verteilung eine Anzahl von Bearbeitungsschritten, eine zur Ausführung der jeweiligen Bearbeitungsschritte benötigte Relativposition des Werkstücks zur Laserbearbeitungsvorrichtung, ein die Relativpositionen der jeweiligen Bearbeitungsschritte umfassender Bearbeitungsweg sowie die zu den jeweiligen Bearbeitungsschritten zur Bearbeitung der Bearbeitungsstellen benötigte Anzahl und Position von Teilstrahlen festgelegt.In a first process step a. As mentioned, a number of processing steps, a relative position of the workpiece to the laser processing device required to carry out the respective processing steps, a processing path comprising the relative positions of the respective processing steps, as well as a number of processing steps based on an input data record relating to the processing points present on the workpiece or their spatial distribution the number and position of partial beams required for the respective processing steps for processing the processing points.
In einem weiteren Verfahrensschritt b. wird das Werkstück in einer Werkstückaufnahme angeordnet. Bei der Werkstückaufnahme kann es sich um einen Bestandteil der Laserbearbeitungsvorrichtung als solcher handeln, ferner kann die Werkstückaufnahme als separates Bauteil ausgebildet sein. Die Werkstückaufnahme kann im einfachsten Fall in Form einer Auflageplatte bzw. eines Tischs ausgebildet sein, auf welchem das Werkstück gewichtskraftbasiert positioniert werden kann. Auch anderweitige Ausbildungen der Werkstückaufnahme sind denkbar, ebenso das Vorsehen geeigneter Befestigungs- oder Positioniermittel zur Befestigung oder Positionierung des Werkstücks in der Werkstückaufnahme. Bei der Werkstückaufnahme kann es sich zudem um einen xy-Tisch handeln, welcher in einer Horizontalebene verfahrbar ist. Entsprechend kann das Werkstück über den xy-Tisch in einer Horizontalebene oder Arbeitsebene bewegt werden.In a further process step b. the workpiece is arranged in a workpiece holder. The workpiece holder can be a component of the laser processing device as such, and the workpiece holder can also be designed as a separate component. In the simplest case, the workpiece holder can be designed in the form of a support plate or a table on which the workpiece can be positioned based on weight force. Other configurations of the workpiece holder are also conceivable, as well as the provision of suitable fastening or positioning means for fastening or positioning the workpiece in the workpiece holder. The workpiece holder can also be an xy table which can be moved in a horizontal plane. Accordingly, the workpiece can be moved over the xy table in a horizontal plane or working plane.
In einem weiteren Verfahrensschritt c. wird sodann ein erster Bearbeitungsschritt ausgeführt, wobei
- • das Werkstück relativ zu der Laserbearbeitungsvorrichtung positioniert wird;
- • ein Laserstrahl von der Laserstrahlungsquelle erzeugt und entlang des optischen Pfades in Richtung des Werkstücks ausgesendet wird;
- • der Laserstrahl von der Strahlteilungseinheit in eine Vielzahl von Teilstrahlen aufgeteilt wird, die in einem vorgegebenen räumlichen Pattern verteilt sind;
- • unter Einsatz der Strahlselektionseinheit
- i. eine erste Anzahl der Teilstrahlen entlang des optischen Pfades in Richtung des Werkstücks weitergeleitet wird, und
- ii. eine zweite Anzahl der Teilstrahlen von dem optischen Pfad abgelenkt wird,
- • unter Einsatz der Strahlpositionierungseinheit eine Anordnung von zu der ersten Anzahl der Teilstrahlen korrespondierenden Laserspots auf dem Werkstück abgebildet und entsprechend der Position der in dem ersten Bearbeitungsschritt zu bearbeitenden Bearbeitungsstellen positioniert wird;
- • gegebenenfalls unter Einsatz der Strahlpositionierungseinheit eine simultan und synchron ausgeführte Bearbeitungsbewegung der Laserspots auf dem Werkstück ausgeführt wird.
- • the workpiece is positioned relative to the laser processing device;
- • a laser beam is generated by the laser radiation source and emitted along the optical path in the direction of the workpiece;
- • the laser beam is split by the beam splitting unit into a multiplicity of partial beams which are distributed in a predetermined spatial pattern;
- • using the beam selection unit
- i. a first number of the partial beams is forwarded along the optical path in the direction of the workpiece, and
- ii. a second number of the partial beams are deflected from the optical path,
- • using the beam positioning unit, an arrangement of laser spots corresponding to the first number of partial beams is imaged on the workpiece and positioned in accordance with the position of the processing points to be processed in the first processing step;
- • if necessary, a simultaneous and synchronous machining movement of the laser spots is carried out on the workpiece using the beam positioning unit.
Im Falle einer Bearbeitung im Point-and-Shoot Modus muss keine Bearbeitungsbewegung der Laserspots auf dem Werkstück erfolgen. Dies findet Ausdruck durch die vorgenannte Verwendung des Terminus „gegebenenfalls.In the case of processing in point-and-shoot mode, no processing movement of the laser spots has to take place on the workpiece. This is expressed through the aforementioned use of the term “if applicable.
In einem weiteren Verfahrensschritt d. werden die in dem Verfahrensschritt c. beschriebenen Schritte entsprechend der Anzahl der festgelegten Bearbeitungsschritte unter Berücksichtigung der im Schritt a. festgelegten Bedingungen wiederholt. Die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Laserbearbeitungsvorrichtung beschriebenen Ausgestaltungsmerkmale sind gleichermaßen auch als mögliche vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens heranzuziehen.In a further process step d. the in process step c. steps described according to the number of processing steps specified, taking into account the steps in step a. specified conditions repeatedly. The design features described in connection with the laser processing device according to the invention are also to be used as possible advantageous designs of the method according to the invention.
Wie bereits erwähnt, umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Laserstrahlungsquelle, die dazu eingerichtet ist, einen Laserstrahl zu erzeugen und entlang eines optischen Pfades in Richtung des Werkstücks auszusenden. Zwischen der Laserstrahlungsquelle und dem Werkstück kann der ausgesendete Laserstrahl optische Funktionselemente durchlaufen, an diesen reflektiert, gebrochen, geteilt der abgelenkt werden. Unter dem erzeugten und ausgesendeten Laserstrahl kann vorliegend ein kontinuierlicher Laserstrahl, insbesondere aber ein Laserpuls zu verstehen sein.As already mentioned, the device according to the invention comprises a laser radiation source which is set up to generate a laser beam and to emit it along an optical path in the direction of the workpiece. The emitted laser beam can pass through optical functional elements between the laser radiation source and the workpiece, be reflected, refracted, divided or deflected on them. In the present case, the generated and emitted laser beam can be understood to be a continuous laser beam, but in particular a laser pulse.
Erfindungsgemäß umfasst die Vorrichtung ferner eine der Laserstrahlungsquelle in Strahlrichtung nachgeordnete Strahlteilungseinheit. Diese ist dazu eingerichtet, den Laserstrahl in eine Vielzahl von Teilstrahlen aufzuteilen, die in einem vorgegebenen räumlichen Pattern verteilt sind. Zudem kann zwischen der Laserstrahlungsquelle und der Strahlteilungseinheit ein Strahlformungselement vorgesehen sein, mit welchem aus einem Laserstrahl mit gaußförmiger Intensitätsverteilung, in Kombination mit der Strahlteilungseinheit auf dem Werkstück eine Vielzahl von parallelen Teilstrahlen mit einer vorgegebenen Intensitätsverteilung erzeugt werden kann, beispielsweise einer Top-Hat Intensitätsverteilung oder einer ringförmigen Intensitätsverteilung.According to the invention, the device further comprises a beam splitting unit arranged downstream of the laser radiation source in the beam direction. This is set up to split the laser beam into a large number of partial beams which are distributed in a predetermined spatial pattern. In addition, a beam shaping element can be provided between the laser radiation source and the beam splitting unit, with which a plurality of parallel partial beams with a predetermined intensity distribution can be generated from a laser beam with Gaussian intensity distribution in combination with the beam splitting unit on the workpiece, for example a top-hat intensity distribution or an annular intensity distribution.
Der Begriff der „Strahlrichtung“ nimmt in diesem Zusammenhang auf den Verlauf des Laserstrahls Bezug. Die Angabe der in Strahlrichtung in Bezug zur Laserstrahlungsquelle „nachgeordneten“ Strahlteilungseinheit meint, dass die Strahlteilungseinheit entlang des optischen Pfades hinter der Laserstrahlungsquelle angeordnet ist. Der Laserstrahl wird also zunächst erzeugt und tritt erst dann in die Strahlteilungseinheit ein bzw. trifft auf diese auf.In this context, the term “beam direction” refers to the course of the laser beam. The specification of the beam splitting unit “downstream” in relation to the laser radiation source means that the beam splitting unit is arranged along the optical path behind the laser radiation source. The laser beam is thus initially generated and only then enters the beam splitting unit or strikes it.
Bei der Strahlteilungseinheit kann es sich beispielsweise um ein diffraktives optisches Element (DOE) handeln. Zu den diesbezüglichen Einzelheiten sei auf den einleitenden Teil der Beschreibung verwiesen. Grundsätzlich kommt aber auch eine Verwendung eines grundsätzlich aus dem Stand der Technik bekannten „Spatial Light Modulators“ als Strahlteilungseinheit in Betracht, solange mit letzterem eine Strahlteilung gewährleistet ist. Unter einem Spatial Light Modulator ist ein optisches Bauelement zu verstehen, welches die Phase und/oder die Amplitude eines Laserstrahls lokal in Abhängigkeit vom Ort variiert. Vermöge des Spatial Light Modulators wird ein eingehender Laserstrahl phasen- und/oder amplitudenmoduliert. The beam splitting unit can, for example, be a diffractive optical element (DOE). For the relevant details, reference is made to the introductory part of the description. In principle, however, it is also possible to use a “spatial light modulator” known in principle from the prior art as the beam splitting unit, as long as the beam splitting is ensured with the latter. A spatial light modulator is to be understood as an optical component which varies the phase and / or the amplitude of a laser beam locally as a function of the location. An incoming laser beam is phase and / or amplitude modulated by means of the spatial light modulator.
Aus dem Stand der Technik sind Spatial Light Modulatoren zur Durchstrahlung bekannt, die lokal eine Phasenverzögerung in einem durch den Spatial Light Modulator hindurchtretenden Laserstrahl erzeugen. Weiterhin sind Spatial Light Modulatoren bekannt, die lokal eine Amplitudenschwächung in einem durch den Spatial Light Modulator hindurchtretenden Laserstrahl erzeugen. Beide Arten von Spatial Light Modulatoren wirken als diffraktive Elemente, hinter denen sich Beugungsbilder ergeben, die von der genauen räumlichen Anordnung der verzögernden bzw. abschwächenden Bereiche abhängen. Das erzeugte Beugungsbild, d.h. die dem Beugungsbild zugrundeliegenden Strahlen verschiedener Ordnung, können auch als Teilstrahlen im Sinne der vorliegenden Erfindung angesehen werden. Betont sei doch, dass es erfindungsgemäß bevorzugt ist, eine auf einem DOE basierte Strahlteilungseinheit zu verwenden.Spatial light modulators for transmission are known from the prior art, which locally generate a phase delay in a laser beam passing through the spatial light modulator. Furthermore, spatial light modulators are known which locally generate an amplitude weakening in a laser beam passing through the spatial light modulator. Both types of spatial light modulators act as diffractive elements, behind which diffraction patterns result, which depend on the exact spatial arrangement of the decelerating or attenuating areas. The diffraction image generated, i.e. the rays of various orders on which the diffraction image is based can also be regarded as partial rays in the context of the present invention. It should be emphasized that it is preferred according to the invention to use a beam splitting unit based on a DOE.
Weiterhin sind aus dem Stand der Technik variable Spatial Light Modulatoren bekannt, bei denen sich die auf dem Werkstück ergebende Intensitätsverteilung des modulierten Laserstrahls elektronisch einstellen lässt. Auch solche variablen Spatial Light Modulatoren können auf einer lokal variierenden Phasenverzögerung und/oder Amplitudenabschwächung basieren. In der Regel werden solche Spatial Light Modulatoren nicht durchstrahlt, sondern in einer Reflexionskonfiguration verwendet. Beispielhaft seien an dieser Stelle Spatial Light Modulatoren genannt, die auf einer Reflexion von Laserstrahlung an einer Halbleiteroberfläche basieren, vor welcher eine Flüssigkristallschicht angeordnet ist. Dabei können die doppelbrechenden Eigenschaften der Flüssigkristallschicht gezielt lokal eingestellt werden, beispielsweise durch Anlegen eines elektrischen Feldes über mikrostrukturierte Elektroden. Entsprechende Spatial Light Modulatoren werden von der Firma Hamamatsu unter der Bezeichnung LCOS („Liquid Crystal on Silicon“)-Spatial Light Modulator vertrieben. Weiterhin sind auch transmittierende variable Spatial Light Modulatoren bekannt, diese werden beispielsweise von der Firma Jenoptik unter der Bezeichnung „Flüssigkristall-Lichtmodulatoren Spatial Light Modulator-S“ vertrieben. Die mit derartigen variablen Spatial Light Modulatoren erzeugten Beugungsbilder können ebenfalls als Teilstrahlen im Sinne der Erfindung angesehen werden, jedoch ist die vorangehend beschriebene Variante der Ausbildung der Strahlteilungseinheit in Form eines diffraktiven Strahlteilers zu bevorzugen.Furthermore, variable spatial light modulators are known from the prior art, in which the intensity distribution of the modulated laser beam resulting on the workpiece can be adjusted electronically. Such variable spatial light modulators can also be based on a locally varying phase delay and / or amplitude attenuation. As a rule, such spatial light modulators are not irradiated, but are used in a reflection configuration. Spatial light modulators which are based on a reflection of laser radiation on a semiconductor surface, in front of which a liquid crystal layer is arranged, may be mentioned as an example at this point. The birefringent properties of the liquid crystal layer can be adjusted locally in a targeted manner, for example by applying an electric field via microstructured electrodes. Corresponding spatial light modulators are sold by Hamamatsu under the name LCOS (“Liquid Crystal on Silicon”) - Spatial Light Modulator. Transmitting variable spatial light modulators are also known; these are sold, for example, by the Jenoptik company under the name “Liquid crystal light modulators Spatial Light Modulator-S”. The diffraction images generated with such variable spatial light modulators can also be regarded as partial beams within the meaning of the invention, but the variant of the design of the beam splitting unit in the form of a diffractive beam splitter described above is to be preferred.
Weiterhin seien amplitudenmodulierte variable Spatial Light Modulatoren genannt, die auf mikromechanischen Mikrospiegelarrays basieren. Die einzeln ansteuerbaren Mikrospiegel erlauben es, gezielt räumliche Bereiche aus dem Querschnitt eines Laserstrahls „auszublenden“. Sodann ergibt sich ein Beugungsbild durch Beugung der einfallenden Laserstrahlung an einem „Gitter“ in einer Reflexionsanordnung. Auch derart erzeugte Beugungsbilder können grundsätzlich als Teilstrahlen im Sinne der vorliegenden Erfindung anzusehen sein.Amplitude-modulated, variable spatial light modulators based on micromechanical micromirror arrays may also be mentioned. The individually controllable micromirrors allow specific spatial areas to be “faded out” from the cross-section of a laser beam. A diffraction image then results from the diffraction of the incident laser radiation on a “grating” in a reflection arrangement. Diffraction images generated in this way can in principle also be viewed as partial beams within the meaning of the present invention.
Wie schon erwähnt, umfasst die mit der hiesigen Erfindung vorgeschlagene Laserbearbeitungsvorrichtung eine Strahlselektionseinheit. Mit dieser kann eine erste Anzahl der Teilstrahlen entlang des optischen Pfades in Richtung des Werkstücks weitergeleitet bzw. abgelenkt werden. Ferner kann eine zweite Anzahl der Teilstrahlen aus dem optischen Pfad abgelenkt werden, was bedeutet, dass die zweite Anzahl der Teilstrahlen nicht auf das Werkstück auftreffen. Die Menge jener der ersten und zweiten Anzahl (d.h. der in Richtung des Werkstücks abgeleiteten Teilstrahlen und der aus dem optischen Pfad weggeleiteten Teilstrahlen) hängt von der Anzahl der Bearbeitungsstellen des Werkstückbereichs ab, der in einem bestimmten Bearbeitungsschritt im Bereich des Scanfelds liegt. Ist es aufgrund der Strahlteilungseinheit beispielsweise grundsätzlich möglich den Laserstrahl in einen 16 mal 16 Teilstrahlarray aufzuteilen und auf ein Werkstück auszurichten, und sind jedoch nur vier Fehlstellen im für das Scanfeld zugänglichen Bereich des Werkstücks vorhanden, so müssen lediglich vier Teilstrahlen zur Bearbeitung bereitgestellt werden. Die überschüssigen Teilstrahlen können sodann mit der Strahlselektionseinheit aus dem optischen Pfad abgelenkt werden.As already mentioned, the laser processing device proposed by the present invention comprises a beam selection unit. With this, a first number of the partial beams can be passed on or deflected along the optical path in the direction of the workpiece. Furthermore, a second number of partial beams can be deflected out of the optical path, which means that the second number of partial beams does not impinge on the workpiece. The amount of that of the first and second number (i.e. the partial beams diverted in the direction of the workpiece and the partial rays diverted from the optical path) depends on the number of processing points of the workpiece area that lies in the area of the scan field in a certain processing step. If, for example, the beam splitting unit makes it possible in principle to split the laser beam into a 16 by 16 partial beam array and align it to a workpiece, and if there are only four flaws in the area of the workpiece accessible to the scan field, then only four partial beams have to be provided for processing. The excess partial beams can then be deflected out of the optical path with the beam selection unit.
Wie schon erwähnt ist ein weiterer Bestandteil der erfindungsgemäßen Laserbearbeitungsvorrichtung eine der Strahlselektionseinheit in Strahlrichtung nachgeordnete Strahlpositionierungseinheit, die dazu eingerichtet ist, zu der ersten Anzahl der Teilstrahlen korrespondierende Laserspots auf dem Werkstück abzubilden. Weiterhin ist die Strahlpositionierungseinheit dazu eingerichtet, die Laserspots zur Positionierung und zur Bearbeitung simultan und synchron über das Werkstück zu bewegen. Dabei kann die Positionierung der Bearbeitung vorgelagert sein. Beide Schritte können nach der Positionierung des Werkstücks relativ zu der Laserbearbeitungsvorrichtung für die einzelnen Bearbeitungsschritte wiederholt werden. Es ist jedoch ohne Weiteres möglich ein Werkstück an einer vorgegebenen Anzahl von Stellen ohne die Ausführung einer Bearbeitungsbewegung zu bearbeiten, z. B. im Point-and-Shoot Modus.As already mentioned, a further component of the laser processing device according to the invention is a beam positioning unit which is arranged downstream of the beam selection unit in the beam direction and is designed to image laser spots corresponding to the first number of partial beams on the workpiece. Furthermore, the beam positioning unit is set up to move the laser spots simultaneously and synchronously over the workpiece for positioning and processing. The positioning can be upstream of the machining. Both steps can be repeated for the individual processing steps after the workpiece has been positioned relative to the laser processing device. However, it is easily possible to machine a workpiece at a predetermined number of locations without performing a machining movement, e.g. B. in point-and-shoot mode.
Bei der Strahlpositionierungseinheit kann es sich beispielsweise um einen Galvanometerscanner handeln. Ein solcher Scanner kann einen oder mehrere Spiegel aufweisen, die jeweils um eine Drehachse um einen definierten Winkel gedreht werden können. Dadurch kann der von den Spiegeln reflektierte Laserstrahl als Laserspot innerhalb des zugänglichen Scanfeldes auf eine gewünschte Stelle des Werkstücks gelenkt werden.The beam positioning unit can be, for example, a galvanometer scanner. Such a scanner can have one or more mirrors, each of which can be rotated about a rotation axis by a defined angle. As a result, the laser beam reflected by the mirrors can be directed as a laser spot within the accessible scan field to a desired location on the workpiece.
Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung. Die in den Unteransprüchen genannten Merkmale können in beliebiger Kombination zur Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sowie des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendet werden, soweit dies technisch möglich ist. Dies gilt auch dann, wenn derartige Kombinationen nicht ausdrücklich durch entsprechende Rückbezüge in den Ansprüchen verdeutlicht sind. Insbesondere gilt dies auch über die Kategorie-Grenzen der Patentansprüche hinweg.The subclaims relate to advantageous configurations and developments of the present invention. The features mentioned in the subclaims can be used in any combination to further develop the device according to the invention and the method according to the invention, insofar as this is technically possible. This also applies if such combinations are not expressly made clear by corresponding references in the claims. In particular, this also applies beyond the category boundaries of the patent claims.
Nach einer ersten Ausgestaltung der Erfindung kann zwischen der Strahlteilungseinheit und der Strahlselektionseinheit eine erste Relay-Einheit angeordnet sein, die dazu eingerichtet ist, die Teilstrahlen zu fokussieren und parallel auszurichten. Die erste Relay-Einheit kann beispielsweise als Einzellinse ausgebildet sein, z.B. als Achromat. In der Praxis hat sich jedoch die Verwendung komplexer Linsensysteme als vorteilhaft erwiesen.According to a first embodiment of the invention, a first relay unit can be arranged between the beam splitting unit and the beam selection unit, which relay unit is set up to focus the partial beams and align them in parallel. The first relay unit can for example be designed as a single lens, for example as an achromatic lens. In practice it has however, the use of complex lens systems has proven advantageous.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann zwischen der Strahlteilungseinheit und der ersten Relay-Einheit eine Maske angeordnet sein, die dazu eingerichtet ist, Teilstrahlen von höherer oder unerwünschter Ordnung herauszufiltern. Auch kann die Maske dazu vorgesehen und eingerichtet sein, ungebeugte Anteile der Laserstrahlung herauszufiltern.According to a further embodiment of the present invention, a mask can be arranged between the beam splitting unit and the first relay unit, which mask is set up to filter out partial beams of a higher or undesired order. The mask can also be provided and configured to filter out undiffracted components of the laser radiation.
Wie bereits vorangehend erwähnt, kann es sich bei der Strahlteilungseinheit um ein diffraktives optisches Element (DOE) handeln. Dabei kann das DOE beispielsweise als rotierende Platte ausgebildet sein, welche über eine Steuereinheit angesteuert werden kann.As already mentioned above, the beam splitting unit can be a diffractive optical element (DOE). The DOE can be designed as a rotating plate, for example, which can be controlled via a control unit.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Laserbearbeitungsvorrichtung kann vorgesehen sein, dass die Strahlteilungseinheit, also das DOE, den Laserstrahl in einen zweidimensionalen Array von Teilstrahlen als räumliches Pattern aufteilt, wobei es sich bei dem zweidimensionalen Array um einen äquidistanten Array handelt. Um nur zwei Beispiele zu nennen (diese sind jedoch nicht einschränkend zu verstehen), kann die Strahlteilungseinheit einen auftreffenden Laserstrahl in einen Array aus 18 mal 18 oder 16 mal 16 Teilstrahlen aufteilen. Über die Strahlteilungseinheit kann der auf dem Werkstück erzielte Abstand zwischen den zugehörigen Laserspots der Teilstrahlen voreingestellt werden. Die mittels der Strahlteilungseinheit aufgeteilten Teilstrahlen stehen alle in einer festen Winkelbeziehung zueinander. Alternativ kann die Strahlteilungseinheit den Laserstrahl auch in einen eindimensionalen Array von Teilstrahlen, zum Beispiel 1 x 50) aufteilen.According to a further embodiment of the laser processing device, it can be provided that the beam splitting unit, i.e. the DOE, splits the laser beam into a two-dimensional array of partial beams as a spatial pattern, the two-dimensional array being an equidistant array. To name just two examples (but these are not to be understood as limiting), the beam splitting unit can split an incident laser beam into an array of 18 by 18 or 16 by 16 partial beams. The distance achieved on the workpiece between the associated laser spots of the partial beams can be preset via the beam splitting unit. The partial beams divided by means of the beam splitting unit are all in a fixed angular relationship to one another. Alternatively, the beam splitting unit can also split the laser beam into a one-dimensional array of partial beams, for example 1 × 50).
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass zwischen der Laserstrahlungsquelle und der Strahlteilungseinheit ein Strahlformungselement angeordnet ist, das dazu eingerichtet ist, eine gaußförmige Intensitätsverteilung des Laserstrahls in eine davon abweichende Intensitätsverteilung umzuwandeln, insbesondere in eine Top-Hat Intensitätsverteilung oder eine ringförmige Intensitätsverteilung. Insbesondere kann damit erzielt werden, dass in einer Werkstückebene eine Top-Hat Intensitätsverteilung bzw. eine ringförmige Intensitätsverteilung der auf das Werkstück projizierten Teilstrahlen bzw. Laserspots erzeugt wird.According to a further advantageous embodiment, it can be provided that a beam shaping element is arranged between the laser radiation source and the beam splitting unit, which is designed to convert a Gaussian intensity distribution of the laser beam into an intensity distribution that differs therefrom, in particular into a top-hat intensity distribution or a ring-shaped intensity distribution. In particular, it can thus be achieved that a top-hat intensity distribution or an annular intensity distribution of the partial beams or laser spots projected onto the workpiece is generated in a workpiece plane.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Laserbearbeitungsvorrichtung kann vorgesehen sein, dass zwischen der Strahlselektionseinheit und der Strahlpositionierungseinheit eine zweite Relay-Einheit angeordnet ist, die dazu eingerichtet ist, die erste Anzahl der Teilstrahlen zu kollimieren, sodass die kollimierten Teilstrahlen in einem nachgeordnet zu der zweiten Relay-Einheit angeordneten Punkt zusammenlaufen. Dadurch kreuzen sich die optischen Achsen der jeweiligen Teilstrahlen in dem genannten Punkt, wobei der Punkt einen Fokalpunkt bereitstellt. Auch die zweite Relay-Einheit kann als Einzellinse oder als komplexes Linsensystem ausgebildet sein. Mit der zweiten Relay-Einheit sind die Teilstrahlen konvergierbar, was bedeutet, dass sie durch die zweite Relay-Einheit so ablenkbar sind, dass sie aufeinander zulaufen. Die Strahlrichtungen werden dabei so verändert, dass sich der Abstand zwischen den Teilstrahlen in Richtung senkrecht zu einer dem optischen Pfad zugehörigen Achse bis zu einem Punkt geringsten Abstands verkleinern.According to a further embodiment of the laser processing device according to the invention it can be provided that a second relay unit is arranged between the beam selection unit and the beam positioning unit, which is set up to collimate the first number of partial beams so that the collimated partial beams are arranged downstream of the second relay -Unit arranged point converge. As a result, the optical axes of the respective partial beams cross at the point mentioned, the point providing a focal point. The second relay unit can also be designed as a single lens or as a complex lens system. The partial beams can be converged with the second relay unit, which means that they can be deflected by the second relay unit in such a way that they converge on one another. The beam directions are changed in such a way that the distance between the partial beams in the direction perpendicular to an axis belonging to the optical path is reduced to a point of the smallest distance.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass zwischen der ersten Relay-Einheit und der zweiten Relay-Einheit eine Maske angeordnet ist, die dazu eingerichtet ist, Teilstrahlen von nullter und/oder höherer Ordnung herauszufiltern, wobei es sich bei der Maske insbesondere um eine statische Maske handeln kann.According to a further advantageous embodiment of the invention it can be provided that a mask is arranged between the first relay unit and the second relay unit, which mask is set up to filter out partial beams of zero and / or higher order, the mask being in particular can be a static mask.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Laserbearbeitungsvorrichtung kann vorgesehen sein, dass zwischen der Strahlselektionseinheit und der zweiten Relay-Einheit eine Zoom-Einheit angeordnet ist, die dazu eingerichtet ist, die Ausrichtung bzw. den Abstand der ersten Anzahl der Teilstrahlen zueinander einzustellen. Die Ausrichtung bzw. die Einstellung des Abstands der Teilstrahlen können simultan erfolgen. Unter einer Ausrichtung ist insbesondere die Anpassung der auf dem Werkstück vorliegenden Periode der Laserspots an die Periode des Werkstücks, beispielsweise eine Periode der zu bearbeitenden Pixel. Zusammenfassend ist festzuhalten, dass die erste Relay-Einheit die Teilstrahlen parallel zueinander ausrichtet. Die zweite Relay-Einheit überführt den so erzeugten Strahlversatz der Teilstrahlen in eine Winkeländerung, diese Winkeländerung wird sodann in einer Fokussiereinheit wieder in einen Abstand überführt, womit sich effektiv die Änderung der genannten Spotperiode ergibt.According to a further embodiment of the laser processing device according to the invention it can be provided that a zoom unit is arranged between the beam selection unit and the second relay unit, which zoom unit is set up to set the alignment or the spacing of the first number of partial beams from one another. The alignment or the setting of the spacing of the partial beams can take place simultaneously. An alignment is in particular the adaptation of the period of the laser spots present on the workpiece to the period of the workpiece, for example a period of the pixels to be processed. In summary, it should be noted that the first relay unit aligns the partial beams parallel to one another. The second relay unit converts the beam offset of the partial beams thus generated into an angle change; this angle change is then converted back into a distance in a focusing unit, which effectively results in the change in the aforementioned spot period.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Laserbearbeitungsvorrichtung kann vorgesehen sein, dass die von der Strahlselektionseinheit von dem optischen Pfad abgeleiteten Teilstrahlen in Richtung einer Strahlblockiereinheit abgelenkt werden, beispielsweise entlang eines optischen Nebenpfads, in welchem die Strahlblockiereinheit als unbewegliche Einheit angeordnet ist. Über das Zusammenwirken der Strahlselektionseinheit und der Strahlblockiereinheit kann die Anzahl der auf das Werkstück auftreffenden Teilstrahlen flexibel eingestellt werden. Dies bezieht sich nicht nur auf die Anzahl der Teilstrahlen, sondern auch auf deren räumliche Auswahl bezogen auf einen von der Strahlteilungseinheit bereitgestellten zweidimensionalen Teilstrahlarray. Aus letzterem können die Teilstrahlen in beliebiger Kombination bzgl. ihrer Position ausgewählt und der ersten oder der zweiten Anzahl der Teilstrahlen zugeordnet werden.According to a further embodiment of the laser processing device according to the invention, it can be provided that the partial beams derived from the optical path by the beam selection unit are deflected in the direction of a beam blocking unit, for example along a secondary optical path in which the beam blocking unit is arranged as an immovable unit. The number of partial beams striking the workpiece can be flexibly adjusted via the interaction of the beam selection unit and the beam blocking unit. This relates not only to the number of partial beams, but also to their spatial selection based on one of the Beam splitting unit provided two-dimensional partial beam array. From the latter, the partial beams can be selected in any combination with regard to their position and assigned to the first or the second number of partial beams.
Wie schon eingangs erwähnt, kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass auf Basis eines Input-Datensatzes bezüglich der auf dem Werkstück vorliegenden Bearbeitungsstellen bzw. deren räumlicher Verteilung, eine Anzahl von Bearbeitungsschritten, eine zur Ausführung der (jeweiligen) Bearbeitungsschritte benötigte Relativposition des Werkstücks zur Laserbearbeitungsvorrichtung, einen die Relativpositionen der jeweiligen Bearbeitungsschritte umfassenden Bearbeitungsweg, sowie die zu den jeweiligen Bearbeitungsschritten zur Bearbeitung der Bearbeitungsstellen benötigte Anzahl und Position von Teilstrahlen festgelegt wird. Dies kann über eine Steuereinheit vollzogen werden, die entweder in die Laserbearbeitungsvorrichtung integriert oder extern zu dieser ausgebildet ist. Bei externer Ausbildung muss eine Signal- und Datenverbindung zwischen der Steuereinheit und der Laserbearbeitungsvorrichtung gewährleistet sein. Die Bestimmung der vorgenannten Betriebsparameter hängt von dem konkret vorliegenden Muster der Bearbeitungsstellen bzw. der Verteilung der Bearbeitungsstellen auf dem zu bearbeitenden Werkstück ab und kann von Werkstück zu Werkstück variieren. Für jeden Einzelfall müssen also neue optimale Bearbeitungsparameter berechnet werden.As already mentioned at the beginning, it can be provided according to the invention that, on the basis of an input data record with regard to the processing points present on the workpiece or their spatial distribution, a number of processing steps, a relative position of the workpiece to the laser processing device required to carry out the (respective) processing steps, a processing path comprising the relative positions of the respective processing steps, as well as the number and position of partial beams required for the respective processing steps for processing the processing points is specified. This can be done via a control unit that is either integrated into the laser processing device or is external to it. In the case of external training, a signal and data connection between the control unit and the laser processing device must be guaranteed. The determination of the aforementioned operating parameters depends on the specific pattern of the processing points or the distribution of the processing points on the workpiece to be processed and can vary from workpiece to workpiece. For each individual case, new optimal machining parameters must be calculated.
Wie schon vorangehend angedeutet, kann es in einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen sein, dass das Werkstück auf einem in einer Horizontalebene verfahrbaren xy-Tisch angeordnet ist, und dass die Steuereinheit dazu eingerichtet ist, den xy-Tisch zur Ausführung einer Relativbewegung des Werkstücks in Bezug zu der Laserbearbeitungsvorrichtung anzusteuern. Der xy-Tisch kann eine geeignete mechanische Bewegungseinheit aufweisen (diese kann beispielsweise ein Achssystem umfassen), mit welchem der Tisch verfahren werden kann.As already indicated above, it can be provided in a further advantageous embodiment of the invention that the workpiece is arranged on an xy table that can be moved in a horizontal plane, and that the control unit is set up to move the xy table to perform a relative movement of the workpiece to be controlled in relation to the laser processing device. The xy table can have a suitable mechanical movement unit (this can include, for example, an axis system) with which the table can be moved.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann die Steuereinheit dazu eingerichtet sein, für die einzelnen Bearbeitungsschritte jeweils
- a. die erste Anzahl und räumliche Anordnung der von der Strahlselektionseinheit in Richtung des Werkstücks weitergeleiteten Teilstrahlen zu ermitteln,
- b. die zweite Anzahl und räumliche Anordnung der von der Strahlselektionseinheit aus dem optischen Pfad abgeleiteten Teilstrahlen zu ermitteln, und
- c. einen Positionierungs- und Bearbeitungsweg für eine von der Strahlpositionierungseinheit ausgeführte Positionier- und Bearbeitungsbewegung der ersten Anzahl der Teilstrahlen bzw. den zugehörigen Laserspots auf dem Werkstück zu ermitteln.
- a. determine the first number and spatial arrangement of the partial beams forwarded by the beam selection unit in the direction of the workpiece,
- b. to determine the second number and spatial arrangement of the partial beams derived from the optical path by the beam selection unit, and
- c. to determine a positioning and processing path for a positioning and processing movement, executed by the beam positioning unit, of the first number of partial beams or the associated laser spots on the workpiece.
Die unter den voranstehenden Ziffern a. und b. beschriebenen Bedingungen definieren die Gestalt eines zur Bearbeitung an einer bestimmten Position benötigten zweidimensionalen Spotarrays. Die Zahl der auf das Werkstück gerichteten Teilstrahlen bzw. der darauf abgebildeten Laserspots, sowie ein Pattern (bzw. die räumliche Anordnung oder Verteilung) der Spots hängt von der Anzahl der Bearbeitungsstellen auf dem Werkstück bzw. deren zweidimensionaler räumlicher Verteilung ab. Die Steuereinheit kann erfindungsgemäß dazu eingerichtet sein, die Strahlselektionseinheit und die Strahlpositionierungseinheit anzusteuern. Nur so kann die Laserbearbeitungsvorrichtung gemäß den unter a. bis c. beschriebenen Bedingungen betrieben werden.The under the preceding paragraphs a. and b. The conditions described define the shape of a two-dimensional spot array required for processing at a specific position. The number of partial beams directed onto the workpiece or the laser spots imaged thereon, as well as a pattern (or the spatial arrangement or distribution) of the spots depends on the number of processing points on the workpiece or their two-dimensional spatial distribution. According to the invention, the control unit can be set up to control the beam selection unit and the beam positioning unit. Only in this way can the laser processing device according to the under a. to c. are operated.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann nachgelagert zu der Strahlpositionierungseinheit eine Fokussiereinheit angeordnet sein. Diese kann dazu eingerichtet sein, die erste Anzahl der Teilstrahlen auf das Werkstück unter Ausbildung der Laserspots zu fokussieren. Beispielsweise kann die Fokussiereinheit als Linse ausgebildet sein, bevorzugt als F-Theta-Linse, die auch als Planfeldlinse bezeichnet wird. Dabei ist unter einer Linse in diesem Zusammenhang auch ein aus mehreren Linsen zusammengesetztes komplexes Linsensystem zu verstehen.According to a further embodiment of the invention, a focusing unit can be arranged downstream of the beam positioning unit. This can be set up to focus the first number of partial beams onto the workpiece while forming the laser spots. For example, the focusing unit can be designed as a lens, preferably as an F-theta lens, which is also referred to as a plane field lens. In this context, a lens is also to be understood as a complex lens system composed of several lenses.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann mit der Laserstrahlungsquelle ein gepulster Laserstrahl erzeugt werden. Typische Pulswiederholraten liegen dabei im Bereich zwischen einigen Hertz bis einigen Megahertz. Für eine effektive Materialbearbeitung hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Pulsdauer weniger als 100 ns beträgt, bevorzugt weniger als 10 ns, insbesondere weniger als 1 ns. In diesem Pulsdauerbereich überwiegen bei der Materialbearbeitung thermisch bedingte Effekte. Die Pulse können dabei mit Leistungen von mehr als 10 W, sogar mehr als 40 W appliziert werden. Pro Telstrahl können Leistungen von wenigen 50 - 500 mW vorliegen.According to a further advantageous embodiment of the invention, a pulsed laser beam can be generated with the laser radiation source. Typical pulse repetition rates are in the range between a few Hertz and a few Megahertz. For effective material processing, it has proven to be advantageous if the pulse duration is less than 100 ns, preferably less than 10 ns, in particular less than 1 ns. In this pulse duration range, thermally induced effects predominate in material processing. The pulses can be applied with powers of more than 10 W, even more than 40 W. A power of a few 50 - 500 mW can be present for each Telstrahl
Wird gepulste Laserstrahlung mit einer kürzeren Pulsdauer eingesetzt, so gewinnen Effekte an Einfluss, die mit der Deposition vergleichbar sehr hoher Energiemengen in sehr kurzer Zeit einhergehen, d.h. mit hohen Peakleistungen. Bei diesen Effekten kann es sich insbesondere um Sublimationseffekte handeln, bei denen das Material des Werkstücks schlagartig lokal verdampft, d.h. solche Effekte, bei denen anstelle einer Materialumlagerung ein Materialabtrag erfolgt. Hier hat sich der Einsatz von gepulster Laserstrahlung mit einer Pulsdauer von weniger als 100 ps, insbesondere bevorzugt weniger als 10 ps und ganz besonders bevorzugt weniger als 1 ps als vorteilhaft erwiesen. Insbesondere Pulsdauern im Bereich von einigen Hundert Femtosekunden bis zu etwa 10 ps lassen einen gezielten Materialabtrag durch Sublimation zu. Typische Pulswiederholraten liegen zwischen 50 und 2000 Hz. Die im Rahmen der vorliegenden Erfindung verwendeten Pulsenergien können im Bereich von 5 bis 1000 µJ für den Laserstrahl vor der Strahlteilung betragen.If pulsed laser radiation with a shorter pulse duration is used, effects that are associated with the deposition of comparable very high amounts of energy in a very short time, ie with high peak powers, gain influence. These effects can in particular be sublimation effects in which the material of the workpiece suddenly evaporates locally, ie effects in which material is removed instead of material redistribution. Here, the use of pulsed laser radiation with a pulse duration of less than 100 ps, particularly preferably less than 10 ps and very particularly preferably less than 1 ps, have proven advantageous. In particular, pulse durations in the range of a few hundred femtoseconds up to about 10 ps allow targeted material removal by sublimation. Typical pulse repetition rates are between 50 and 2000 Hz. The pulse energies used in the context of the present invention can be in the range from 5 to 1000 μJ for the laser beam before the beam is split.
Zukünftig zur Verfügung stehende Laserstrahlungsquellen mit noch kürzeren Pulsdauern sind ebenfalls vorteilhaft im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. dem erfindungsgemäßen Verfahren einsetzbar.Laser radiation sources with even shorter pulse durations that will be available in the future can also be used advantageously in connection with the device according to the invention or the method according to the invention.
Allerdings kann auch die Verwendung von gepulster Laserstrahlung mit noch längeren Pulsdauern als den vorstehend genannten 100 ns sinnvoll sein, beispielsweise wenn bestimmte Wellenlängen für die Bearbeitungsaufgabe erforderlich sind, oder eine langsamere Energiedeposition vorteilhaft ist, beispielsweise um eine gezielte lokale Erwärmung zur Initiation einer lokalen Bearbeitungsreaktion, die auch chemischer Natur sein kann, wie das Auslösen einer Polymerisationsreaktion, zu erzielen und gleichzeitig einen vorzeitigen Materialabtrag zu vermeiden.However, the use of pulsed laser radiation with pulse durations even longer than the above-mentioned 100 ns can also be useful, for example if certain wavelengths are required for the machining task, or if a slower energy deposition is advantageous, for example to achieve targeted local heating to initiate a local machining reaction, which can also be of a chemical nature, such as initiating a polymerization reaction, and at the same time avoiding premature material removal.
Die vorliegende Erfindung ist zwar nicht auf die Verwendung eines Lasers mit einer bestimmten Wellenlänge beschränkt, vorteilhaft ist allerdings die Verwendung eines UV-Lasers als Laserstrahlungsquelle, wobei die Laserstrahlungsquelle vorzugsweise einen Laserstrahl mit einer Wellenlänge von 355 nm, 343 nm, 266 nm oder 257 nm erzeugt. Bei der ablatierenden Bearbeitung eines Werkstücks mit einer Laserbearbeitungsvorrichtung kann die Wellenlänge dahingehend ausgewählt werden, dass Laserstrahlung von dem zu ablatierenden Material absorbiert wird. Laserstrahlung mit Wellenlängen im Nahinfrarot und VIS Bereich ist dazu weniger geeignet, es sei denn man verwendet kurze Pulsdauern im piko- und femtosekunden-Bereich. Bevorzugt ist die Laserstrahlungsquelle dazu eingerichtet, monochromatische Laserstrahlung zu erzeugen. Je nach Bearbeitungsaufgabe können aber auch breitbandige Laserstrahlungsquellen vorteilhaft sein.Although the present invention is not limited to the use of a laser with a specific wavelength, the use of a UV laser as the laser radiation source is advantageous, the laser radiation source preferably being a laser beam with a wavelength of 355 nm, 343 nm, 266 nm or 257 nm generated. During the ablating processing of a workpiece with a laser processing device, the wavelength can be selected such that laser radiation is absorbed by the material to be ablated. Laser radiation with wavelengths in the near infrared and VIS range is less suitable for this, unless short pulse durations in the picosecond and femtosecond range are used. The laser radiation source is preferably set up to generate monochromatic laser radiation. Depending on the processing task, broadband laser radiation sources can also be advantageous.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Laserbearbeitungsvorrichtung kann die Vorrichtung ein Lambda-Halbe-Verzögerungselement aufweisen sein. Dieses Verzögerungselement erlaubt die Anpassung der Polarisationsrichtung der erzeugten Laserstrahlung.According to a further advantageous embodiment of the laser processing device according to the invention, the device can have a half-wave delay element. This delay element allows the polarization direction of the generated laser radiation to be adjusted.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann die Strahlpositionierungseinheit als Spiegelscanner ausgebildet sein, insbesondere als Galvanometerscanner. Entsprechend kann die Strahlpositionierungseinheit einen oder mehrere Drehantrieb(e) aufweisen, der bzw. die dazu eingerichtet sind, in der Strahlpositionierungseinheit vorgesehene Spiegel zur gezielten Auslenkung und Positionierung der Teilstrahlen zu bewegen. Galvanometerscanner zur Verwendung in Laserbearbeitungsvorrichtungen sind allgemein bekannt.According to a further advantageous embodiment of the invention, the beam positioning unit can be designed as a mirror scanner, in particular as a galvanometer scanner. Correspondingly, the beam positioning unit can have one or more rotary drives which are set up to move mirrors provided in the beam positioning unit for the targeted deflection and positioning of the partial beams. Galvanometer scanners for use in laser processing devices are well known.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann die Strahlselektionseinheit eine Spiegelanordnung umfassen, beispielsweise einen Array aus MEMS Spiegeln oder einen Mikrospiegelarray (DMD Anordnung). Das Akronym MEMS steht dabei bekanntlich für mikro-elektro-mechanische-Systeme. Das Akronym DMD bezeichnet einen „digital micromirror device“. Beide Bauteile sind aus dem Stand der Technik bekannt, weshalb an dieser Stelle auf das allgemeine Fachwissen verwiesen sei. Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung geht damit einher, dass einem jeden auf die Strahlselektionseinheit auftreffenden Teilstrahl genau ein Spiegel des Arrays aus MEMS Spiegeln oder des Mikrospiegelarrays zugeordnet ist. Entsprechend den beschriebenen Ausgestaltungen kann also vorgesehen sein, die Strahlselektionseinheit reflektiv auszubilden. MEMS Spiegel können entweder resonant oder quasi-statisch betrieben werden. Bei derartigen Spiegeln handelt es sich um zweidimensionale Elemente zur Strahlungsablenkung. Mögliche Scan-Frequenzen reichen von 0.1 kHz bis 50 kHz.According to a further advantageous embodiment of the invention, the beam selection unit can comprise a mirror arrangement, for example an array of MEMS mirrors or a micromirror array (DMD arrangement). The acronym MEMS stands for micro-electro-mechanical systems. The acronym DMD denotes a "digital micromirror device". Both components are known from the prior art, which is why reference is made at this point to the general technical knowledge. An essential advantage of the invention is associated with the fact that exactly one mirror of the array of MEMS mirrors or of the micromirror array is assigned to each partial beam impinging on the beam selection unit. In accordance with the configurations described, provision can therefore be made for the beam selection unit to be reflective. MEMS mirrors can be operated either resonantly or quasi-statically. Such mirrors are two-dimensional elements for deflecting radiation. Possible scan frequencies range from 0.1 kHz to 50 kHz.
Die in der Strahlselektionseinheit angeordneten Spiegel können über eine Steuereinheit einzeln angesteuert und verkippt bzw. bewegt werden, um somit jeden Teilstrahl individuell ablenken zu können. Wie schon erwähnt, kann eine erste Anzahl der Teilstrahlen entlang des optisches Pfads in Richtung des Werkstücks weitergeleitet bzw. abgelenkt werden, oder aber aus dem optischen Pfad entfernt bzw. abgelenkt werden (die aus dem optischen Pfad abgelenkten Teilstrahlen treffen nicht auf das Werkstück auf).The mirrors arranged in the beam selection unit can be controlled and tilted or moved individually via a control unit in order to be able to deflect each partial beam individually. As already mentioned, a first number of the partial beams can be passed on or deflected along the optical path in the direction of the workpiece, or removed or deflected from the optical path (the partial beams deflected from the optical path do not hit the workpiece) .
Vorgesehen sein kann beispielsweise, dass die einzelnen Spiegel zwei Stellungen einnehmen können, insbesondere eine ON-Stellung und eine OFF-Stellung. In der ON-Position sind die Spiegel beispielsweise ausgeschaltet, in der OFF-Position hingegen sind die Spiegel um einen vorgegebenen Winkel, beispielsweise 10°, in Bezug zu der ON-Position ausgelenkt. Je nach Stellung der Spiegel, wird ein auf einen solchen Spiegel auftreffender Teilstrahl entlang des optischen Pfades bzw. einem entsprechendem Strahlengang weitergeleitet (abgelenkt) oder aber entlang eines optischen Nebenpfades (dieser weicht von dem optischen Pfad ab). In dem optischen Nebenpfad kann beispielsweise eine Strahlblockiereinheit angeordnet sein. Die dort auftreffenden Teilstrahlen werden also nicht in Richtung des Werkstücks abgelenkt. Zusammenfassend ist zu subsumieren, dass ein jeder Spiegel dazu eingerichtet ist, eine On-Stellung und eine Off-Stellung einzunehmen, wobei ein in der On-Stellung befindlicher Spiegel dazu eingerichtet ist, einen Teilstrahl aus dem optischen Pfad abzulenken, und wobei ein in der Off-Stellung befindlicher Spiegel dazu eingerichtet ist, einen Teilstrahl in Richtung des Werkstücks weiterzuleiten. Mit der vorgenannten Spiegelanordnung können im Gegensatz zu der aus dem Stand der Technik vorbekannten Strahlselektion, siehe hierzu insbesondere die
Je nach Stellung der Spiegel ergibt sich auf dem Werkstück ein vorkonfiguriertes Pattern an Laserspots bzw. Bearbeitungsspots. Sind alle Spiegel in ihrer ON-Stellung geschaltet, ergibt sich ein vordefinierter Spotarray (z.B. ein 10 mal 10 Array), wobei alle Gitterplätze mit einem Laserpot besetzt sind. Die Laserspots haben dabei einen jeweils einen annähernd konstanten Abstand. Befinden sich nicht alle Spiegel in ihrer ON-Stellung, so verbleibt eine gewisse Anzahl der Gitterplätze spotfrei. Mit einem solchen Verfahren können folglich eine Vielzahl verschiedener Konfigurationen von auf dem Werkstück abgebildeten Laserspots bereitgestellt werden.Depending on the position of the mirrors, a preconfigured pattern of laser spots or processing spots results on the workpiece. If all mirrors are switched to their ON position, there is a predefined spot array (e.g. a 10 by 10 array), with all grid positions being occupied by a laser spot. The laser spots each have an approximately constant distance. If not all mirrors are in their ON position, a certain number of the grid positions remain spot-free. With such a method, a large number of different configurations of laser spots imaged on the workpiece can consequently be provided.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass die Spiegel zumindest teilweise mit einer dielektrischen Beschichtung versehen sind. Im vergleich zu einer metallischen Oberfläche eines Spiegels wird mit einer dielektrischen Beschichtung vermieden, dass sich der Spiegel im Wege einer Restabsorption der auf den Spiegel auftreffenden Laserstrahlung aufheizt. Es kann vorgesehen sein, jeden Spiegel vollständig dielektrisch zu beschichten, oder nur partiell.According to a further advantageous embodiment, it can be provided that the mirrors are at least partially provided with a dielectric coating. Compared to a metallic surface of a mirror, a dielectric coating prevents the mirror from heating up due to residual absorption of the laser radiation striking the mirror. It can be provided that each mirror is coated completely dielectrically or only partially.
Wie bereits vorangehend beschrieben, kann die Strahlselektionseinheit in einer alternativen Ausführung auch transmittiv bzw. absorptiv ausgebildet sein, insbesondere als zumindest ein auf einem Chip angeordnetes Blockierelement. Derartige Chips sind jedoch auf dem Markt frei erhältlich (siehe beispielsweise https://www.preciseley.com/mems-optical-shutter.html). Das genannte Blockierelement ist dabei innerhalb einer Chipebene zumindest von einer ersten in eine zweite Stellung bewegbar. In der ersten Stellung ist dabei eine Transmission (also ein Hindurchtreten) eines auf das Blockierelement auftreffenden Teilstrahls ermöglicht. In der zweiten Stellung hingegen ist ein Hindurchtreten eines auf das Blockierelement auftreffenden Teilstrahls verwehrt (Absorption). Das Umschalten des Blockierelements kann über eine Steuereinheit kontrolliert werden, entsprechend eignet sich auch ein derartiger Chip (oder ein Array derartiger Chips) zur Verwendung mit der vorliegenden Erfindung.As already described above, in an alternative embodiment the beam selection unit can also be designed to be transmittive or absorptive, in particular as at least one blocking element arranged on a chip. Such chips are freely available on the market (see, for example, https://www.preciseley.com/mems-optical-shutter.html). Said blocking element can be moved within a chip plane at least from a first to a second position. In the first position, transmission (that is, passage through) of a partial beam striking the blocking element is enabled. In the second position, however, a partial beam striking the blocking element is prevented from passing through (absorption). The switching of the blocking element can be controlled via a control unit; accordingly, such a chip (or an array of such chips) is also suitable for use with the present invention.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Strahlselektionseinheit mit einer Kühleinheit versehen ist. Die Kühleinheit kann beispielsweise auf einer Wasserkühlung, einem Peltier-Element, oder einer Luftkühlung beruhen. Auch eine Kombination der voranstehend genannten Kühlmethoden ist möglich. Mit der Kühleinheit wird ein Aufheizen der in der Strahlselektionseinheit angeordneten Spiegel durch das Auftreffen der Laserstrahlung vermieden. Die dabei entstehende Abwärme sowie die durch elektronische Komponenten der Strahlselektionseinheit entstehende Abwärme kann mittels der Kühleinheit abgeführt werden.According to a further advantageous embodiment of the invention, it can be provided that the beam selection unit is provided with a cooling unit. The cooling unit can, for example, be based on water cooling, a Peltier element, or air cooling. A combination of the cooling methods mentioned above is also possible. The cooling unit prevents the mirrors arranged in the beam selection unit from heating up due to the impact of the laser radiation. The resulting waste heat as well as the waste heat produced by electronic components of the beam selection unit can be dissipated by means of the cooling unit.
Weitere Vorteile, Ausgestaltungen und Weiterbildungen, die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Laserbearbeitungsvorrichtung bzw. dem erfindungsgemäßen Verfahren stehen, sind anhand eines nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiels genauer erläutert. Dieses soll dem Fachmann die Erfindung verdeutlichen und ihn die Lage versetzen, die Erfindung auszuführen, ohne jedoch die Erfindung zu beschränken. Die anhand des Ausführungsbeispiels beschriebenen Merkmale können ebenfalls zur Weiterbildung der erfindungsgemäßen Laserbearbeitungsvorrichtung wie auch des erfindungsgemäßen Verfahrens herangezogen werden. Das Ausführungsbeispiel wird anhand der Figuren näher erläutert. Dort zeigt:
-
1a das Grundprinzip der vorliegenden Erfindung, nämlich eine schematische Ansicht einer von einer Vielzahl von Pixeln bereitgestellten Werkstückoberfläche, wobei eine bestimmte Anzahl der Pixel Bearbeitungsstellen (z.B. Fehlstellen des Displays) sind; -
1b das Grundprinzip der vorliegenden Erfindung, nämlich eine schematische Ansicht einer zweidimensionalen Laserspotanordnung, die über eine Strahlteilung bereitgestellt wird; -
1c das Grundprinzip der vorliegenden Erfindung, nämlich die Bearbeitung der Bearbeitungsstellen mit über eine Selektionseinheit selektierten Laserspots; -
2 den schematischen Aufbau einer Laserbearbeitungsvorrichtung gemäß der Erfindung; -
3 eine schematische Ansicht zum Funktionsprinzip jener der Laserbearbeitungsvorrichtung zugehörigen Strahlselektionseinheit. -
4 eine schematische Ansicht zum Funktionsprinzip jener der Laserbearbeitungsvorrichtung zugehörigen Strahlselektionseinheit in einer zweiten Ausführungsform.
-
1a the basic principle of the present invention, namely a schematic view of a workpiece surface provided by a plurality of pixels, a certain number of the pixels being processing points (for example flaws in the display); -
1b the basic principle of the present invention, namely a schematic view of a two-dimensional laser spot arrangement which is provided via a beam splitting; -
1c the basic principle of the present invention, namely the processing of the processing points with laser spots selected via a selection unit; -
2 the schematic structure of a laser processing device according to the invention; -
3 a schematic view of the functional principle of the beam selection unit associated with the laser processing device. -
4th a schematic view of the functional principle of the beam selection unit associated with the laser processing device in a second embodiment.
Mit dem der Erfindung zugrunde liegenden Verfahren können in einem Werkstück
Wie schon eingangs beschrieben, eignet sich die erfindungsgemäße Laserbearbeitungsvorrichtung insbesondere zur Bearbeitung von Bearbeitungsstellen
Wie die
Auf das Werkstück
Das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die erfindungsgemäße Laserbearbeitungsvorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass solche Bearbeitungsstellen
Wie in der
An dieser Stelle sei betont, dass mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bzw. der erfindungsgemäßen Vorrichtung Werkstücke
Der Abstand
In der
Die Laserbearbeitungsvorrichtung kann zunächst eine Werkstückaufnahme
Die Laserbearbeitungsvorrichtung umfasst zunächst eine Laserstrahlungsquelle
Bezogen auf den Strahlengang ist nachgeordnet zu der Strahlteilungseinheit
Nachgeordnet zu der Relay-Einheit
Nach einer ersten Ausführungsform kann die Strahlselektionseinheit
Wie in der
Je nach Stellung der Spiegel
Wie bereits vorangehend beschrieben, kann die Strahlselektionseinheit
Eine weitere Maske
Wie der
Nachgelagert zu der Zoom-Einheit
Weiterhin umfasst die Laserbearbeitungsvorrichtung eine Strahlpositionierungseinheit
In Bezug auf das ebenfalls mit der Erfindung vorgeschlagene Bearbeitungsverfahren ist festzustellen, dass über eine Relativverschiebung zwischen Werkstück
Bestandteil der Strahlpositioniereinheit
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 11
- BearbeitungsstelleProcessing point
- 22
- Werkstückworkpiece
- 33
- LaserstrahlungsquelleLaser radiation source
- 44th
- optischer Pfadoptical path
- 55
- StrahlteilungseinheitBeam splitting unit
- 66th
- StrahlselektionseinheitBeam selection unit
- 77th
- erste Relay-Einheitfirst relay unit
- 88th
- Maskemask
- 99
- StrahlpositionierungseinheitBeam positioning unit
- 1010
- Laserstrahllaser beam
- 1111
- zweite Relay-Einheitsecond relay unit
- 1212
- Zoom-EinheitZoom unit
- 1313
- StrahlblockiereinheitBeam blocking unit
- 1414th
- Fokussiereinheit, F-theta LinseFocusing unit, F-theta lens
- 1515th
- SpiegelanordnungMirror arrangement
- 1616
- Spiegelmirror
- 1717th
- Maskemask
- 1818th
- LaserspotLaser spot
- 1919th
- Chipchip
- 3030th
- Pixelpixel
- 4040
- WerkstückaufnahmeWorkpiece holder
- 100100
- ON-StellungON position
- 200200
- OFF-StellungOFF position
- TT
- TeilstrahlPartial beam
- A1A1
- erste Anzahlfirst number
- A2A2
- zweite Anzahlsecond number
- D1D1
- Abstanddistance
- D2D2
- Abstanddistance
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited
- US 9592570 B2 [0003, 0061]US 9592570 B2 [0003, 0061]
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